Обработка пищевых продуктов в электростатическом поле

Электростатическим полем называют поле покоящихся зарядов, а силы взаимодействия этих зарядов – электростатическими силами (это потенциальные силы). Электростатическое поле характеризуют напряжённостью Е и энергетической характеристикой этого поля – его потенциалом φ.

В настоящее время высокоэффективные процессы с применением высоковольтной ионизации широко используются в различных областях технологических процессах, таких как:

- электроочистка газов;

- электростатическое эмалирование;

- электрокопчение;

- электроантисептирование;

- электропанирование и многих др.

В основу всех этих процессов положен один метод, сущность которого состоит в том, что ионизированный газ, перемещаясь в электрическом поле, сообщает заряд тонкодисперсным частицам вещества (пыль, краска, коптильный дым и др.). При этом частицы также совершают упорядоченное направленное движение от одного электрода к другому.

Ионизации газов можно достигнуть двумя путями:

1) Несамостоятельной ионизацией, которая возникает в том случае, если пространство между электродами подвергают воздействию внешнего источника теплоты (рентгеновские лучи, коротковолновая радиация, ультрафиолетовое излучение, высокая температура и др.). При удалении внешнего источника процесс ионизации прекращается и образовавшиеся ионы противоположного заряда рекомбинируются;

1) Самостоятельной ионизацией, возникающей в результате повышения напряжения в цепи до некоторой определённой величины, при которой заряженные частицы, разгоняясь в электрическом поле и сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, ионизируют их. В этом случае электрическая прочность газа нарушается, и в результате ударной ионизации в газе устанавливается самостоятельный разряд, существующий без внешних побудителей.

При ионизации наблюдается одновременное течение двух противоположных процессов:

- распад нейтральных молекул на заряженные частицы (ионы);

- восстановление (рекомбинация) ионов в нейтральные молекулы.

 

Количество ионов, рекомбинирующихся в молекулы n΄, пропорционально как числу отрицательных, так и положительных ионов

 

 

где ψ – коэффициент рекомбинации; n0 – число отрицательных (положительных) ионов.

Равновесие в системе наступает при

n = ψn02,

где n – число образующихся ионов.

Следовательно, число ионов одного знака в единице объёма

 

 

В неравномерных электрических полях максимальная напряжённость возникает у электрода с меньшим радиусом кривизны, причём газ на этом участке теряет свою электрическую прочность – возникает коронный разряд.

Область, непосредственно прилегающую к разряду, называют короной, а электрод – коронирующим.

При небольших напряжениях коронный разряд представляет собой сумму электронно-лавинных импульсов малой продолжительности – 10-11 с. При более высоких напряжениях корона состоит из каналов газоразрядной плазмы, обрывающейся в участках пониженной напряжённости поля

№39

Значительную группу технологических процессов можно интенсифицировать на базе акустических методов с использованием ультразвуковых и звуковых колебаний. Наиболее полно исследованы возможности использования в технологических процессах пищевых производств ультразвука и низкочастотных (инфразвуковых) колебаний.

Акустические колебания делятся на следующие области:

§ инфразвуковая 0¸20 Гц;

§ звуковая 20¸2×10⁴ Гц;

§ ультразвуковая 2×10⁴¸10⁸ Гц;

§ гиперзвуковая > 10⁸ Гц.

§ В практике приходится отделять источник ультразвука от облучаемого материала. С этой целью изготавливают различные мембраны. Эффективность пропускания звуковых волн зависит не только от толщины, но и от свойств материала мембраны.

Поэтому часто пользуются коэффициентом m, представляющим собой отношение акустических сопротивлений мембраны и окружающей среды. При приближении m к единице пропускание ультразвуковых волн увеличивается.

В качестве источников ультразвуковых колебаний используют аэродинамические, механические, гидродинамические, электромагнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели. Выбор источника зависит как от мощности технологических, конструкционных и других показателей, так и от желательной частоты процесса. Минимальными частотами обладают механические, электромагнитные и электродинамические преобразователи. Наибольшую частоту удается достичь при использовании пьезоэлектрических источников (больше 10⁶ Гц).

В пищевой промышленности получили распространение гидродинамические преобразователи, принцип действия которых заключается в том, что движущаяся под давлением струя жидкости, попадая на острый край необтекаемого препятствия, создает около него завихрения, следующие один за одним. При этом возникает чередование перепадов давления, имеющих характер звуковых волн.

Для получения высоких частот и ультразвука максимальной интенсивности используют пьезоэлектрические преобразователи. Прямой пьезоэффект - это возникновение зарядов на гранях кристаллов некоторых веществ при их растяжении и сжатии. Обратным пьезоэффектом, т.е. механическими колебаниями кристалла под действием переменного электрического поля, пользуются для получения ультразвуковых колебаний. Пьезоэлектрическим эффектом обладают естественные и искусственные кристаллы: кварц, сегнетова соль, турмалин и др. Пьезоэлектрические излучатели имеют КПД 40-50 %.

При определенных условиях в поле ультразвукового излучения возникает явление, которое называется кавитацией.

Под кавитацией понимают разрыв сплошности жидкости, сопровождаемый образованием мельчайших пузырьков, наполненных паром и газами, содержащимися в жидкости.

При захлопывании кавитационных пузырьков возникают ударные волны с большой амплитудой давления. Эти механические усилия являются причиной разрушительного действия ультразвука (УЗ).

Большое влияние на возникновение и течение кавитации оказывает вязкость жидкостей. С увеличением вязкости условия возникновения кавитации затрудняются.

Значительную роль в возникновении и развитии кавитации играют зародышевые центры, представляющие собой микропузырьки газов и паров, а также мельчайшие взвеси неоднородных включений в жидкости.

Для обычного процесса кавитации локальное давление может достигать 450 МПа. В условиях резонанса возникает давление, которое может превышать гидростатическое в 150 000 раз и сопровождается повышением температуры при захлопывании пузырьков, достигающей 2000 °К.

Пищевые продукты представляют собой неоднородные гетерогенные среды, в силу чего воздействие УЗ на них будет чрезвычайно многообразным.

Под действием звуковых колебаний коллагенные волокна мышечной ткани мяса разрушаются, мясо становится нежным и мягким. Для этого предварительно замороженное мясо помещают в рассол, где генерируются УЗ-колеба-ния. Возможен также непосредственный контакт мяса с источником УЗ.

 

№40